СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА

СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
и некоторые аспекты радиосвязи
Спиральные антенны отличаются главно круговой диаграммой направленности по своей
оси. Их именно,как правило, используют радиолюбители ( и не только) для связи с
изкуственными спутниками Земли. Познание антенн начинают с самой простойдиполя. Иногда его называют “полуволновой вибратор”
Диполь- это провод длиной 1/2 лямбда ( лямбда-длина волны: Л=300/F [m
,MHz]).Провод ,конечно, для коротких волн, для УКВ используют трубки :). Если
дипольпоставлен горизонтально, поляризация электромагнитных волн горизонтальная.
Есливертикально, поляризация вертикальная. При спиральной антенне поляризация
круговая.
Диполь, как и множество других популярных антенн, излучает перпендикулярно
своей оси.Явно, диполь как антенна для ракет непригоден, как и популярные
антенны Яги ( волновой канал), SWAN ,HB9 и другие. По моему , антенна ракеты
должна излучать по своей оси.Потому что при движении к апогею и обратно поле
антенны будет направленно по оси ракеты,т.е к земле. Таких антенн немного и
спиральная - одна из них.
Что собой представляет спиральная антенна ? Просто несколько витков
провода , длина каждого витка равна длину волны (Л) , оптимальный угол поднятия
витков как правило 14 градусов , что ведет к расстояню между витками 0.24 Л.
Диаметр спирали расчитываем по формуле D (cm)=9300/F(MHz) с учетом коеффициента
укорочения. Расстояние между витками А(см)=7200/F(MHz).
Спиральная антенна обладает сравнительно широкой частотной полосой -1:1.6.
Она даже имеет усиление- для 3х витков-10.1 Дб, 4-11.3, 5-12.3, 6-13 ,12-16.1
Дб; как видно, усиление весьма существенное. Если одна из антенн- спиральная, а
другая- с линейной поляризацией (вертикальная или горизонтальная), теряем 3 Дб
по мощности (2 раза).
Входное сопротивленое спиральной антенны почти не имеет реактивных
составляющих и равно 120-150 ом в зависимости от размеров спирали. Питание
несиметричное, коаксиальным кабелем.
Для получения направленнего излучения используется дисковый рефлектор
диаметром 0.6Л, сделанный из проводов или сетки. Его располагают на расстояние
0.13Л от спирали. Согласование с коаксиальным кабелем удобнее всего сделать с
помощью четвертьволнового трансформатора, его сопротивление Ztr=
( Za*Z), где
Za-сопротивление антенны,а Z-сопротивление кабеля. Если принять Za=125 ом, а
Z=75 ом, то Ztr=sqrt(125*75)=96.8 om.
Четвертьволновый трансформатор элементарен, трубка с проводом внутри , оба
длиной 1/4 Л. Соотношение внутреннего диаметра трубки и внешнего диаметра
провода определяет волновое сопротивление : Ztr=138*lоg(D/d) , когда между
электродами
воздух.Если
твердый
диэлектрик,
то
138
нужно
поделить
на
диэлектрическую проницаемость "епсилон". Как правило, использют шайбы из тефлона
для спейсеров между проводом и трубкой, и полагают, что диэлектрик- воздух. Для
нашего случая соотношение диаметров D/d будет равно 5.01, т.е.5. Если частота
F=900 МХц, длина трансформатора будет 300/900/4=.0833м (8.3 см). Если есть
трубка под рукой с внутренным диаметром 5мм, центральный провод трансформатора
должен быть с диаметром 1 мм .Паралельное соединение двух антенн даст входное
сопротивление 60-75 ом, что весма удобно для коаксиального кабеля.
Изходя из изложеной информации определим конкретную антенну для наземной
радиостанции на частоте 900 МХц:
Диаметр спирали D=9300/F = 10.33 см.
Шаг спирали
А=7200/F = 8 см.
Рефлектор диаметром (300/900)*.6 =.2м=20см.
Расстояние от рефлектора до спирали = (300/900)*0.13Л= 0.0433м= 4.33 см.
При включчении 2х антенн в паралел входное сопротивление будет 125/2=62.5 ом,
что одинаково близко до 50 и 75 ом коаксиального кабеля, а потери будут
незначительными. Если планируем использовать одну антенну, согласуем через
четвертьволновый
трансформатор
размерами:
длина=Л/4=83.3
мм,
диаметром
(внутренным) 5мм , центральный провод диаметром 1мм. Подходят медные и
алюминиевые трубки. К трансформатору на расстояние
43.3мм от конца
трансформатора, который соединен со спиралю поставим рефлектор из мелкой
металлической сетки диаметром 20 см. Коаксиальный кабель от радиостанции
сопротивлением 75 ом соединим с трансформатором: центральный провод к
ценральному, оплетка к трубке.
Другое дело антенна в ракете. Предположим, что калибр ракеты около 100 мм,
тогда витки намотаем прямо на фюзеляж. Значит, фюзеляж не должен быть
металлическим. Допустим, что передатчик находится как можно ближе к обтекателю,
под парашутом. Рефлектор уменшится до диаметр фюзеляжа, что приведет к изменению
входного сопротивления . Если двигатель металлический, то он будет отражать
часть сигнала и поле антенны получится в виде образующей конуса. Так же
полагаем, что после выбраса парашута ракета повиснет соплом вниз. Что ставит
следующие задачи:
1. установить сопротивление антенны и расчитать заново согласующий елемент;
2. измерить диаграмму направленности при наличии металлического двигателя
перед антенной.
3. измерить усиление антенны.
4. рассчитать отслабление сигнала в апогее.
5. рассчитать необходимую ВЧ мощность передатчика в зависимость от
чувствительности приемниика.
6. уточнить возможности работы антенны без рефлектора- способ соединения и
согласование.
По пунктам 1,2,3,6 безусловно необходимо
сделать прототип и на
производить измерения. У меня будет возможность занятся этим ранней весной.
По пунктам 4 и 5 :
Отслабление сигнала в DB описано формулой:
нем
-G= 32.4+ 20*lоg(F)+20*lоg(R)
где F=частота в МХц , R=расстояние в км,что валидно для антенн с усилением
0 Дб, т. е. без оного.
Если положим F=900MHz, R= 3km, то G =-101 ДБ
Если предположить, что чувствительность приемника 5 микровольт (телевизор),по
таблице DBm (ее можно скачать на www.cqham.ru ) находим:
5 микровольт= -93.01 ДБм
-101-(-93)=+8 ДБм
+8 ДБм = 550 миливатт необходимая мощност передатчика для преодолевании
затухания сигнала. Поясним, что ДБм –соотношение мощности к 1 миливатт.
Естествено
,
уважающий
себя
приемник
УКВ
радиостанции
имеет
чувствительность около 0.2-0.4 микровольт (-120 ДБм) , тогда –120 – (-101) =-19
ДБм, что приблизительно 25 миливатт излучаемой мощности.
Дело улучшается, если добавм усиление антенн. Предположим ,что усиление
антенны ракеты 6 Дб,а
наземной- 12 Дб: тогда вычтем из затухании 18 Дб и
получим 101-(+18)=-83 Дб. По той же таблице –93+(-18) =-83 Дб затухание; ерго
93-83=-10 ДБм - излучаемая мощност равна 70 миливатт против прежных 550. Я
неоднократно делал усилители на 100 миливатт с транзисторами BFR96. Усиление
антенн даст экономию в 7-8 раз от источника питания.
К сожалению многие из нас еще не сделали ракету калибром 100 мм. Для
меньших калибров спиралная антенна будет работать на очень высоких частотах, что
затруднительно. На 2400 MHz диаметр спирали получится 39 мм. Но ракеты меньших
калибров как правило ниже летают и можно обойтись антенной без усиления, как в
переносных радиостанций и телефонов. Такие антенны, тоже “спиральные”, имеют
“усиление” –3 до –6 Дб .Их диаграмма направленности не ярко выражена и скорее
напоминает сферу с провалами тут и там. Их легче сделать, чем рассчитать.С такой
антенной высотой в 5 см диаметром 10мм на 145 МХц “от руки” вполне реальна связь
на 2-3 км. Ее нужно настраивать на конкретный передатчик, пользуясь волномером и
КСВ метром. Другой вариант-ее просто купить там где продают радиостанции.
Наземная спиральная антенна здесь тоже поможет из-за поляризации поля.
Какие выводы:
1. Не надо гнаться за большими мощностями на борту. Лучший усилительхорошая антенна.
2. Для крупных проектов спиральная антенна подходит больше,чем остальные.
3. Улучшать чувствительност приемника и усиление наземной антенны.
4. Так или иначе хорошую видеокамеру не поместим в малом калибре.
5. Для телеметрии с хорошей радиостанцией не должны возникать проблеммыконечно, при использовании радиомодема. Прямая передача данных
частотной или, не дай бог, амплитудной модуляцией, по моему опыту,
работает на весма ограниченных расстояниях.
6. Чтобы не было проблемм с частотами, лучше использовать IMS обхват.
С надеждой , что это писание поможет кому-нибудь, искренне ваш :
Metero.
P.S. Поскольку русский язык для меня не родной, извиняюсь за некоторые
ошибки в оборотах речи и за опечатки.
М.